[캠퍼스 Lab-board] 성균관대 휴대용 중금속 검출센서 개발, 카이스트 미생물 플라스틱 생산, 지스트 표면 전자기파 발견

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▲미국 테라사키 연구소 김민우 박사(제1저자)(왼쪽부터), 성균관대 바이오메카트로닉스학과 김치현 학생(제1저자), 박주형 박사(교신저자), 박진성 교수(교신저자), 메타바이오헬스학과 조원준 학생(공동저자). 사진=성균관대

성균관대학교(총장 유지범) 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀이 세계 최초로 진동 장치를 탑재한 휴대용 전기화학 중금속 검출 시스템을 개발해 극소량의 납과 카드뮴을 높은 민감도로 검출하는데 성공했다.

12일 성균관대에 따르면 이번 연구는 환경 독성 물질을 신속하게 현장에서 검출할 수 있는 시스템을 제시한 것으로 이 논문은 센서분야 최우수 저널 중 하나인 'Sensors and Actuators B-Chemical'에 지난 10월 24일 게재됐다.

박진성 교수 연구팀은 차별화된 기술로 기존 탄소 전극 위에 '그라파이트-비스무스' 나노 판을 배치하고 양성자 전도체 '나피온' 막을 코팅한 후 진동장치를 추가해 중금속 이온의 검출 신호를 크게 향상시켰다.

진동을 통해 중금속 이온의 확산이 촉진돼 더욱 많은 이온이 전극 표면에 붙게 되며 그 결과 납 이온은 최대 540%, 카드뮴 이온은 511% 검출 효율이 향상됐다.

이번 연구에서 사용된 차등펄스 양극벗김전압법(DP-ASV)은 중금속이 붙고 떨어지는 과정에서 발생하는 전류와 전위 곡선을 분석하여 금속 종류와 농도를 구별한다.

이를 통해 실험실 환경에서는 납 이온 0.98나노몰라(nM) 및 카드뮴 이온 1.65nM, 식수에서는 납 4.49nM 및 카드뮴 14.89nM, 토양에서는 0.94nM 및 7.10nM 농도까지 각각 중금속 이온을 동시 검출하는데 성공했다.

연구팀은 현장 테스트를 위해 금속 제련소를 기점으로 낙동강 상류와 하류에서 물을 채취하여 센서를 이용한 검출 실험을 진행했다. 실험결과 카드뮴 이온은 검출되지 않았으며 납 이온은 상류에서 1.66nM, 하류에서는 18.88nM가 검출되었다. 이는 현장에서 사용되는 중금속 분석장비 'ICP-MS'가 보여주는 것과 유사한 결과다.

박진성 교수는 “기존 연구에서 개발한 센서는 실제 현장에서 여러 이물질로 인해 정확한 측정이 어려웠지만 이번에 개발한 센서는 실제 환경에서도 중금속을 신속하고 민감하게 검출할 수 있어 새로운 시스템의 기초 기술이 될 가능성이 크다"며 “향후 환경 모니터링과 공공 보건 분야에 적용되기를 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 창의·도전연구기반지원사업, Post-Doc. 성장형 공동연구사업과 SMC-SKKU 미래융합연구사업의 지원을 받아 수행되었다.

▲카이스트 이상엽 특훈교수(오른쪽부터), 문천우 박사과정(공동 제1저자), 신디 프리시리아 박사

카이스트(KAIST, 총장 이광형) 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 기존 페트병을 대체할 미생물 기반 생분해성 플라스틱 생산에 성공했다.

이번 연구는 유사 방향족 폴리에스터 단량체를 고효율로 생산하는 미생물 균주 개발에 성공함으로써 이뤄졌다.

유사 방향족 다이카복실산은 방향족 폴리에스터(페트병)보다 나은 물성 및 높은 생분해성을 가지고 있어 친환경 고분자 단량체로 주목받고 있지만 낮은 수율과 복잡한 반응조건, 유해 폐기물 생성 등 문제점을 지니고 있다.

이상엽 특훈교수 연구팀은 대사공학을 활용, 아미노산 생산에 주로 사용되는 세균인 코리네박테리움에서 5종의 유사 방향족 다이카복실산을 고효율로 생산하는 미생물 균주를 개발했다.

이번 연구를 기반으로 다양한 폴리에스터 생산 산업공정에 응용이 기대되며 유사 방향족 폴리에스터 생산에 관한 연구에도 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이상엽 특훈교수는 “미생물을 기반으로 유사 방향족 폴리에스터 단량체를 고효율로 생산하는 친환경 기술을 개발했다는 점에 의의가 있다"며 “이번 연구가 앞으로 미생물 기반의 바이오 단량체 산업이 석유 화학 기반의 화학산업을 대체하는데 일조할 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 '바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발' 과제의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지 '미국 국립과학원 회보(PNAS)'에 10월 30일자로 게재됐다.

▲GIST 고등광기술연구소 기철식 수석연구원(왼쪽), 김성한 박사후 연구원

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철) 고등광기술연구소 광응용시스템연구부 기철식 수석연구원과 김성한 박사후연구원은 '양의 유전율'을 갖는 물질들의 경계에 새로운 '표면 전자기파'가 존재한다는 사실을 최초로 발견했다.

연구팀은 양의 유전율을 갖는 물질을 포함하는 완전 전기 도체(PEC)와 완전 자기 도체(PMC) 평행판 도파관을 연결해 형성된 경계(PEC-PMC 경계)에 새로운 표면 전자기파가 존재한다는 사실을 처음 확인했다.

이는 표면 전자기파가 음의 유전율을 갖는 물질과 양의 유전율을 갖는 물질이 이루는 경계에만 존재한다는 기존 물리학적 지식의 틀을 깨고 이례적 환경에서는 양의 유전율을 갖는 물질들로 이루어진 경계에서도 표면 전자기파가 존재할 수 있음을 최초로 확인한 것이다.

표면 전자기파는 두 물질이 만나 형성되는 계면을 따라 전파하는 전자기파로 '음의 유전율'을 갖는 물질과 '양의 유전율'을 갖는 물질이 형성하는 경계에만 존재하는 것으로 알려져 있다.

대표적인 것이 음의 유전율을 갖는 금속과 양의 유전율을 갖는 공기층 사이에 존재하는 '표면 플라즈몬'으로 금속표면에 화학물질이나 바이오물질 등을 놓아두면 표면 플라즈몬과 상호작용을 유발해 고감도 센서나 고해상도 이미징 구현 등에 응용할 수 있다.

연구팀은 이론적 모드 분석과 수치해석을 통해 PEC-PMC 경계에서 새로운 표면 전자기파의 존재를 증명하고 통상적으로 표면 전자기파 발생에 사용되는 프리즘 결합 실험을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현하여 PEC-PMC 경계에서 새로운 표면 전자기파의 발생을 검증했다.

기철식 수석연구원은 “이번 연구는 표면 전자기파의 생성 조건에 대한 지식을 확장하는 한편 전자기 현상에 대해 보다 깊은 이해를 가능하게 했다는데 학문적 의의가 있다"며 “기존의 표면 전자기파를 이용한 바이오 센서, 고해상도 이미징 등 다양한 분야에 새로운 표면 전자기파도 응용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 교육부의 창의도전연구사업의 지원을 받아 수행되었으며 미국물리학회가 발행하는 물리학분야 권위지 '피지컬 리뷰 레터스'에 10월 30일 온라인 게재됐다.

김철훈 기자 kch0054@ekn.kr